一種功率增益自動控制模塊及摻鉺光纖放大器的製作方法

2023-10-27 22:48:42

專利名稱：一種功率增益自動控制模塊及摻鉺光纖放大器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於光通信控制領域，尤其涉及一種功率增益自動控制模塊及摻鉺光纖放大器。
背景技術：
EDFA (摻鉺光纖放大器)在WDM (波分復用)網絡中得到了廣泛應用，通過泵浦電路中的雷射半導體發出的泵浦光照射到摻鉺光纖中，泵浦光激活光纖中的鉺離子，輸入光中光子產生受激輻射，這樣輸出光的功率就會增大，實現了輸入光的功率放大功能。在DWM中，不同的信道可能沿不同的路徑傳播，不同節點處信道的隨機插分(Added or Drop)，這些變化可能會引起網絡重構，使網絡中EDFA的信道數發生變化，從而導致EDFA的輸入光功率緩慢變化，飽和EDFA的增益隨光功率上升而下降，EDFA隨著輸入信號功率變化而工作在不同的飽和深度，穩態增益和輸出功率隨之而變。`比如在含不同信號格式的混合WDM傳輸系統中，較低輸入功率(〈-lOdBm)的數位訊號與大功率(>3dBm)的視頻信號可能在不同的信道上共線傳播，一旦視頻信號中斷，數字信道就會從深度飽和狀態跳變到小信號狀態，由於EDFA的增益瞬態飽和效應,引起信道間交叉飽和串擾，使信號失真。另一方面，隨著EDFA工作環境溫度的變化及泵浦的老化效應，雷射半導體的輸出功率發生變化，也能引起EDFA增益變化。增益波動在EDFA級聯放大應用中表現更加突出。因此穩定EDFA的增益是WDM+EDFA走向工程化的重要技術。

實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種功率增益自動控制模塊，旨在解決現有EDFA中輸出增益和輸出光功率容易波動的技術問題。本實用新型是這樣實現的，一種功率增益自動控制模塊，包括用於採集泵浦電路的輸出光，並將採集到的功率值輸入到微處理器的功率檢測電路；用於接收功率檢測電路採集的功率值，將所述功率值與目標值相比較，獲得當前所需控制量的微處理器；用於接收微處理器獲得的控制量，並將所述控制量轉換成模擬控制電壓的數模轉換電路，所述模擬控制電壓用於控制泵浦電路；所述功率檢測電路、微處理器、數模轉換電路以及泵浦電路依次電連接。本實用新型的另一目的在於提供一種摻鉺光纖放大器，該摻鉺光纖放大器的輸出增益穩定。在本實用新型的有益效果是本實用新型為一個光電反饋環，將本實用新型接入到現有的泵浦電路後，可以控制EDFA輸出增益保持不變，其中功率檢測電路採集到泵浦光的功率值後，微控制器將該功率值與目標值比較，計算出控制量，並通過數模轉換電路後生成模擬控制電壓控制泵浦電路，調整輸出泵浦光功率，整個過程形成一個控制迴路，當輸入光功率及設備其他參數在一定範圍內變化時使增益和輸出功率保持恆定。

圖I是本實用新型第一實施例提供的一種功率增益自動控制模塊結構圖；圖2是本實用新型第二實施例提供的一種功率增益自動控制模塊結構圖；圖3是本實用新型第三實施例提供的一種功率增益自動控制模塊結構圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，
以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。 實施例一:圖I示出了本實用新型第一實施例提供的一種功率增益自動控制模塊的結構，為了便於說明僅示出了與本發明實施例相關的部分。圖示中泵浦電路是現有EDFA中的輸出光控制電路，泵浦電路中的雷射半導體輸出的泵浦光輸入到摻鉺光纖中，能夠激活摻鉺光纖中的鉺離子，輸入光產生受激輻射，泵浦電路輸出大功率的輸出光。本實施例作用於所述泵浦電路，形成一個光電控制閉環，使得輸出光功率保持恆定。本實例所述的功率增益自動控制模塊，包括用於採集泵浦電路的輸出光，並將採集到的功率值輸入到微處理器的功率檢測電路I ;用於接收功率檢測電路採集的功率值，將所述功率值與目標值相比較，獲得當前所需控制量的微處理器2 ；用於接收微處理器獲得的控制量，並將所述控制量轉換成模擬控制電壓的數模轉換電路，所述模擬控制電壓用於控制泵浦電路3 ;所述功率檢測電路I、微處理器2、數模轉換電路3以及泵浦電路依次電連接。由於WDM網絡中EDFA的信道數發生變化，會導致EDFA的輸入光功率緩慢變化，或者隨著EDFA工作環境溫度的變化及泵浦的老化效應，雷射半導體的泵浦光功率會發生變化，因此泵浦電路的輸出光功率也會發生波動，通過引入本實施例所述的功率增益自動控制模塊後，率檢測電路I採集到輸出光後，將功率值輸入到微處理器2中，所述微處理器2將功率值與目標值進行比較，通過PID算法計算出控制量，再通過數模轉換電路3將所述控制量轉換成實際的模擬控制電壓，所述模擬控制電壓作用於泵浦電路的泵浦偏置電流，從而改變泵浦光輸出功率，進而改變了泵浦電路的輸出光功率，使得輸出光功率接近目標值，功率檢測電路I再次採集泵浦電路的輸出光功率，重複上述循環，構成了完整的單迴路控制系統，因而即使輸入光功率變化或是泵浦光功率變化，通過本功率增益自動控制模塊，最終泵浦電路的輸出功率基本保持恆定不變，與目標值相同。實施例二 :圖2示出了本實用新型第二實施例提供的一種功率增益自動控制模塊的結構，為了便於說明僅示出了與本發明實施例相關的部分。[0028]本實施例的功率增益自動控制模塊與實施例一相同，包括用於採集泵浦電路的輸出光，並將採集到的功率值輸入到微處理器的功率檢測電路I ;用於接收功率檢測電路採集的功率值，將所述功率值與目標值相比較，獲得當前所需控制量的微處理器2 ；用於接收微處理器獲得的控制量，並將所述控制量轉換成模擬控制電壓的數模轉換電路，所述模擬控制電壓用於控制泵浦電路3 ;所述功率檢測電路I、微處理器2、數模轉換電路3以及泵浦電路依次電連接。其中，所述微處理器2包括 用於將輸入的模擬電壓值轉換成數字電壓值的模數轉換單元201；用於將轉換得到的數字電壓值還原成實際功率值後與目標值進行比較，獲得當前所需控制量的比例積分微分控制器202 ；用於將比例積分微分控制器獲得的控制量輸出到數模轉換電路的串行外設接口203 ；所述功率檢測電路I的輸出端、模數轉換單元201、比例積分微分控制器202、串行外設接口 203以及數模轉換電路3的輸入端依次電連接。本實施例中，功率檢測電路I輸入到微處理器2的功率值通常是通過電壓值表現出來的，功率檢測電路I的本質是個光電轉換器，能夠採集泵浦電路的輸出光，並以電壓形式輸出，輸出的電壓值正比於採集的輸入光，這種比例關係與功率檢測電路的硬體參數有關。本實施例中，微處理器包括模數轉換單元201、比例積分微分控制器202 (PID控制器)和串行外設接口 203 (SPI接口)，其中，模數轉換單元201將功率檢測單元I輸入的模擬電壓值轉換成數字電壓值後，PID控制器202將該數字電壓值還原成實際功率值後與目標值進行比較，通過PID算法得到當前需要生成的控制量，該控制量為數字電壓，在本實施例中，PID控制器202通過SPI接口 203，將所述生成的控制量輸入到數模轉換電路3中，轉換成模擬控制電壓，該模擬控制電壓控制泵浦電路的輸出光功率，這樣形成一個完成的控制環後，可以保證泵浦電路的輸出光功率保持恆定，與目標值相同，所述目標值是期望泵浦電路期望輸出的光功率值，也即EDFA輸出的光功率值，本是實用新型的目的就是使得EDFA輸出的光功率值儘可能接近目標值且保持穩定。需要說明的是，本實施例中微處理器2與數模轉換電路3間通過SPI總線連接，這只是一種具體連接方式，通過其他協議連接同樣在本實用新型的保護範圍內，只要微處理器2與數模轉換電路3支持所述協議即可，比如IIC總線亦可代替本實施例中的SPI總線。本實施例中，PID控制器202的控制核心是將目標值與採集值的偏差通過比例(P)、積分(I)和微分(D)進行線性組合構成控制量，與現有的控制器不同在於，採用了如下特殊的控制方案I)積分分離當採集功率值Pl與目標值Ps之差e(k)>設定值時，取消積分I的作用，當e (k) <設定值時，採用PID聯合控制，當功率離目標值差很遠時，能加大輸出量，提高穩定速度。2)不完全微分在PID中加入一階慣性環節(低通濾波器)Gf (S)=I/[1+Tf (S)]。不完全微分在系統有階躍時能很好的緩衝控制量的階躍，使控制更為平滑。[0043]3)死區控制當|e(k) I〈設定值時，e(k)=0。當採集值到達目標值附近時，再控制就會出現值的頻繁微小波動，為了使系統更趨於穩定，採用死區控制，當採集值到達目標值的死區時，軟體不再輸出控制量。這樣系統的穩定性就取決於外界工作條件，如果誤差超過死區範圍，則軟體又重新開始控制。4)數字式PID與增量式PID結合數字式PID是在原始PID公式上簡單變化後得到的，單純採用數字式PID算法，在本系統中效果不是很好，因為每次都要計算P、I、D三個部分，而沒有一個基準量，這樣產生的控制值不是很平滑，很容易引起系統波動。而增量式PID則是在基礎值上，每次只計算增加量，在原來的基礎值上增加或減少，值的過渡較為平滑。經過實際系統的反覆運行調試，最後在本系統中使用的PID計算方式既非數字式PID也不是增量式PID，而是結合了兩種PID的優點，創造了適合於本系統的一種計算方式。通過本實施例採用的PID控制器，可以使得輸入光功率或泵浦光功率在一定範圍變化時，輸出光功率基本保持恆定。實施例三:·[0047]圖3示出了本實用新型第三實施例提供的一種功率增益自動控制模塊的結構，為了便於說明僅示出了與本發明實施例相關的部分。本實施例與實施例一和實施例二不同在於，在功率檢測電路I與微處理器2之間接通有第一運放電路4，數模轉換電路3與泵浦電路間接通有第二運放電路5。通常功率檢測電路I採集的功率值(電壓值)都比較小，通過第一運放電路4將其放大後，再由微處理器2處理該數值，這樣誤差較小。同樣在微處理器2計算得到的控制量轉換成模擬控制電壓後，再經過第二運放電路5後，再去控制泵浦電路的輸出光功率，這樣也可以減小誤差。作為具體的實現方式，所述微處理器2採用STM32F101V8T6單片機及其外圍電路，STM32F101V8T6是意法半導體公司生產的基於ARM公司C0RTEX-M3內核的32位低成本微控制器，它採用了高性能的處理器結構，使用簡潔高效的Thumd-2指令集。該控制器集成了豐富的外設包括2個16位定時器，2個SPI接口，2個IIC接口，3個USART，16個12位A/D轉換通道等，並帶有SM內部晶振，使外圍設計大大簡化，穩定可靠，功率檢測單元I採集到的功率值輸入到STM32F101V8T6的Α/D埠，所述數模轉換電路採用AD5324數模轉換晶片及其外圍配合電路，AD5324是ANALOG DEVICES公司生產的12位高精度數模轉換晶片，輸出電壓範圍為O-Vref，在本實用新型中，第I腳和第10腳到地，第2、3、4腳到VCC，並接O. Iuf電容到地，控制信號第7腳、8腳、9腳直接與STM32F101V8T6相連。Vref接入電壓為+3. 3V。該晶片工作在串行模式，帶2路輸出，與微處理器通過SPI總線連接，接收到微處理器發送的控制信號後，相應輸出口輸出對應的電壓值，從而驅動後級電路實現功率控制。顯然，這只是一種晶片選擇方案而已，本實用新型包括但不限於此，只要能夠實現同樣的功能即在本實用新型的保護範圍內。此外，本實用新型還提供了一種包括上述功率增益自動控制模塊的EDFA。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種功率增益自動控制模塊，其特徵在於，所述模塊包括 用於採集泵浦電路的輸出光，並將採集到的功率值輸入到微處理器的功率檢測電路(1); 用於接收功率檢測電路採集的功率值，將所述功率值與目標值相比較，獲得當前所需控制量的微處理器(2)； 用於接收微處理器獲得的控制量，並將所述控制量轉換成模擬控制電壓的數模轉換電路，所述模擬控制電壓用於控制泵浦電路； 所述功率檢測電路(I)、微處理器(2 )、數模轉換電路(3 )以及泵浦電路依次電連接。
2.如權利要求I所述的一種功率增益自動控制模塊，其特徵在於，所述功率檢測電路輸入到微處理器的功率值為模擬電壓值，功率檢測電路(I)的輸出管腳連接到微處理器(2)的模數輸入管腳。
3.如權利要求2所述的一種功率增益自動控制模塊，其特徵在於，所述微處理器包括 用於將輸入的模擬電壓值轉換成數字電壓值的模數轉換單元(201); 用於將轉換得到的數字電壓值還原成實際功率值後與目標值進行比較，獲得當前所需控制量的比例積分微分控制器(202)； 用於將比例積分微分控制器獲得的控制量輸出到數模轉換電路的串行外設接口(203)； 所述功率檢測電路(I)的輸出端、模數轉換單元(201)、比例積分微分控制器(202)、串行外設接口(203)以及數模轉換電路(3)的輸入端依次電連接。
4.如權利要求3所述的一種功率增益自動控制模塊，其特徵在於，所述微處理器(2)和數模轉換電路(3)通過SPI總線連接。
5.如權利要求1-4任一項所述的一種功率增益自動控制模塊,其特徵在於，在功率檢測電路(I)與微處理器(2 )之間接通有第一運放電路(4 )，數模轉換電路(3 )與泵浦電路間接通有第二運放電路(5)。
6.如權利要求5所述的一種功率增益自動控制模塊，其特徵在於，所述微處理器(2)為STM32F101V8T6單片機及其外圍配合電路。
7.如權利要求5所述的一種功率增益自動控制模塊，其特徵在於，所述數模轉換電路(3)為AD5324數模轉換晶片及其外圍配合電路。
8.—種摻鉺光纖放大器,所述摻鉺光纖放大器包括如權利要求1-7任一項所述的功率增益自動控制模塊。
專利摘要本實用新型適用於光通信控制領域，提供了一種功率增益自動控制模塊及摻鉺光纖放大器，所述功率增益自動控制模塊，包括用於採集泵浦電路的輸出光，並將採集到的功率值輸入到微處理器的功率檢測電路；用於接收功率檢測電路採集的功率值，將所述功率值與目標值相比較，獲得當前所需控制量的微處理器；用於接收微處理器獲得的控制量，並將所述控制量轉換成模擬控制電壓的數模轉換電路，所述模擬控制電壓用於控制泵浦電路，所述功率檢測電路、微處理器、數模轉換電路以及泵浦電路依次電連接。將本實用新型接入到現有的泵浦電路後，可以控制EDFA輸出增益和功率保持恆定，本實用新型可以廣泛應用於光纖放大器製造行業中。
文檔編號G02F1/39GK202634443SQ20122024067
公開日2012年12月26日 申請日期2012年5月25日 優先權日2012年5月25日
發明者寇望東 申請人:四川九州電子科技股份有限公司